Een startpunt voor de studie van supergeleiding

(Nanwork-nieuwsRIKEN-natuurkundigen hebben een ideaal platform gevonden om het gedrag van elektronen in materie te onderzoeken terwijl deze supergeleiding nadert (Fysieke beoordeling b, “Zuivere nematische toestand in de op ijzer gebaseerde supergeleider FeSe”). Dit zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van nieuwe supergeleiders die bij gunstiger temperaturen werken dan bestaande.

Supergeleiders transporteren elektrische stroom zonder enige weerstand en worden bijvoorbeeld gebruikt in krachtige elektromagneten en magnetische sensoren. Maar supergeleiding treedt over het algemeen alleen op bij lage temperaturen, dus onderzoekers zijn op zoek naar supergeleiders voor hoge temperaturen die een veel breder scala aan toepassingen kunnen bieden. Het uiteindelijke doel is om materialen te vinden die supergeleidend zijn bij kamertemperatuur. Een transmissie-elektronenmicrofoto van een materiaal op zijn substraat. Toont de verdeling van ijzeratomen in de dunne laag ijzerselenide (links) en lanthaanatomen in het substraat (rechts). (©) Fys. Rev. b)

Supergeleiding in zogenaamde klassieke supergeleiders ontstaat wanneer elektronen worden gekoppeld. Deze koppeling voorkomt dat elektronen zich verspreiden terwijl ze door het materiaal stromen.

Sommige materialen komen, wanneer ze deze supergeleidende toestand naderen, in een ‘nematische fase’ waarin elektronen zich in lijnen opstellen. “Nematiciteit hangt nauw samen met supergeleiding”, legt Yuya Kubota van het RIKEN SPring-8 Center uit. “De exacte relatie tussen nematica en supergeleiding is echter nog niet volledig duidelijk.”

Om deze relatie te onderzoeken, wendden Kubota en zijn collega's zich tot een materiaal genaamd ijzerselenide, dat alleen elektriciteit geleidt bij een zeer lage temperatuur van -265 graden Celsius, slechts 8 graden boven het absolute nulpunt. Maar supergeleiding bij hoge temperaturen kan worden bereikt door druk uit te oefenen of door de chemische samenstelling van het materiaal te wijzigen, wat de weg kan wijzen naar meer algemene strategieën voor het maken van supergeleiders bij hoge temperaturen.

IJzerselenide komt de nematische fase binnen bij ongeveer -183 °C. In dit stadium verandert de rangschikking van atomen in het kristalrooster van het materiaal en kunnen sommige elektronen verschillende energietoestanden aannemen. Onderzoekers hebben lang gedebatteerd over het relatieve belang van deze structurele en elektronische factoren bij het stimuleren van draadvormige infecties.

Nu heeft het Kubota-team een ​​antwoord bedacht. Ze bestudeerden een heel dun laagje ijzerselenide op een basis van lanthaanaluminaat, dat de structurele verandering tijdens de overgang naar de nematische fase onderdrukte.

De onderzoekers observeerden alle elektronische kenmerken die kenmerkend zijn voor de overgang naar de nematische fase, hoewel de roosterstructuur hetzelfde bleef. Dit geeft aan dat de nematische fase alleen voortkomt uit veranderingen in de energietoestanden van bepaalde elektronen.

De onderzoekers verwachten dat het dunnefilmmateriaal hen in staat zal stellen het gedrag van elektronen in de nematische fase te onderzoeken, zonder de complicerende factor van eventuele begeleidende structurele veranderingen. “Dit kan ons helpen een dieper inzicht te krijgen in de relatie tussen nematiciteit en supergeleiding, en het mechanisme van supergeleiding”, zegt Kubota. “Dit zou op zijn beurt het onderzoek naar supergeleiders op kamertemperatuur kunnen versnellen.”